ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2021
Просмотров: 410
Скачиваний: 2
31
вращения векторов спонтанной намагниченности. Первый процесс связан с
ростом объема доменов, у которых направление
J
s
ориентировано
наиболее выгодно энергетически по отношению к полю (угол между
J
s
и
H
наименьший). Второй процесс обусловлен поворотом векторов
J
s
к
направлению приложенного магнитного поля.
Зависимости намагниченности
J
разных магнетиков от напряженности
внешнего магнитного поля изображены на рис. 4. Нелинейная область I
отражает процесс ориентации доменов в ферромагнетиках в направлении
внешнего поля при возрастании напряженности
Н
. В сильных полях
(область II) наступает магнитное насыщение, и намагниченность
практически не зависят от напряженности поля
Н
. Кривая
J = f (H)
носит
название основной кривой намагничивания. Для пара- и диамагнетиков
зависимость
J = f (H)
линейная.
Рис. 3.
Рис. 4
Рассмотрим
более
детально
процесс
намагничивания
ферромагнетика. При помещении ненамагниченного ферромагнетика во
внешнее магнитное поле (например, в поле соленоида с током) все домены
образца полностью или частично ориентируются в направлении вектора
32
напряженности
H
намагничивающего поля, как показано на рис. 5 (поле
Н
1
<H
2
<H
3
). В ферромагнитном образце магнитное поле характеризуется
индукцией
B
, причем зависимость
В = f
1
(H)
- нелинейная и, как будет
показано
ниже,
неоднозначная.
Только
процесс
начального
намагничивания
ферромагнетика может быть выражен зависимостью
В=
о
, где
о
- магнитная постоянная;
- магнитная проницаемость
вещества, зависящая от напряженности поля:
f
2
(H)
.
На рис. 6а показана
основная кривая намагничивания
(сплошная
линия). Она имеет три характерных участка, соответствующих рис. 5. На
участке I с ростом напряженности поля происходит
обратимое
смещение
доменных границ и увеличение объема доменов, ориентация которых
близка к направлению поля
Н
. На участке II этот процесс становится
интенсивным, и
необратимым
. В конце участка II большинство доменов,
поглотив соседние, оказывается сориентированными по направлению
близкому к направлению поля
H
. На участке III сильное
намагничивающее поле вызывает процесс медленного и монотонного
вращения доменов до направления, совпадающего с направлением поля
H
. В результате наступает
состояние насыщения
намагниченности
ферромагнетика (
Н
S
, B
S
).
Рис. 5
Магнитная проницаемость
H
B
0
1
, как видно из кривой начального
намагничивания, возрастает в слабых полях от некоторого начального
значения
Н
до максимального значения
0
0
0
max
1
H
B
при
Н = Н
о
, как
показано на рис. 6
б
. При дальнейшем увеличении намагничивающего поля
магнитная проницаемость уменьшается, асимптотически приближаясь к
33
значению
.
Само
понятие
«магнитная
проницаемость»
для
ферромагнетика
применимо
только
к
«кривой
начального
намагничивания» - основной кривой намагничивания ферромагнетика.
а б
Рис. 6
При
уменьшении
напряженности
внешнего
поля
до
нуля
намагниченный
ферромагнетик
размагничивается
лишь
частично,
поскольку тепловой энергии
kT
недостаточно для того, чтобы
разориентировать все домены. При
Н
= 0 поле в ферромагнетике
характеризуется
остаточной магнитной индукцией
В
r
. ( рис. 6а). Такое
отставание изменения индукции
В
от изменения напряженности
Н
называется «
магнитным гистерезисом
».
Для того чтобы сделать остаточную индукцию равной нулю и тем
самым размагнитить ферромагнетик можно приложить магнитное поле
обратного направления,
равное некоторому значению
Н = -Н
С
(рис. 6а),
которое называется
коэрцитивной силой (коэрцитивным полем)
ферромагнетика.
Ферромагнетики, у которых
Н
С
< 80 А/м, называются
«
мягкими
». Эти материалы (железо, электротехническая сталь, сплавы
железа с никелем - «Пермаллой») имеют большую магнитную
проницаемость (
max
= 5000 - 50000 и больше) и применяются для
изготовления сердечников трансформаторов и электрических машин.
Ферромагнетики, имеющие
Н
С
> 4000 А/м, называются «
жесткими
» и
применяются для изготовления постоянных магнитов (сплавы железа типа
«Алнико» и «Магнико»).
При перемагничивании ферромагнетиков в переменном поле
Н = f(t)
процесс изменения магнитной индукции поля в образце характеризуется
замкнутой кривой, которая называется петлей магнитного гистерезиса
(рис. 7). Если амплитуда напряженности поля заходит в область
насыщения намагниченности образца, петля гистерезиса называется
предельной или максимальной петлей (дальнейшее увеличение поля
H
в
образце не приводит к качественным изменениям формы петли), в
34
остальных случаях - петлей частного цикла.
Частных циклов существует
бесконечное множество, и все они лежат внутри максимальной петли
гистерезиса, а максимумы значений
B
и
H
(или
J
и
H
) частных циклов
всегда лежат на основной кривой намагничивания. Нелинейность петли
показывает, что
индукция поля изменяется не по закону изменения
напряженности.
Рис. 7.
Две ветви петли гистерезиса означают, что любому значению
Н
соответствуют два значения магнитной индукции
В
, зависящие от
предыстории магнитного состояния образца.
Кривая, проведенная через вершины (
В
m
;Н
m
) ряда частных петель
гистерезиса, практически совпадает с «кривой начального (основного)
намагничивания». Поэтому магнитная проницаемость ферромагнетика
может быть определена через эти максимальные значения
В
m
и
Н
m
,
относящиеся к любой из частных петель гистерезиса (рис. 7), по формуле
m
m
H
B
0
1
.
(17)
По площади петли можно найти работу перемагничивания, отнесенную
к единице объема. Малое изменение объемной плотности энергии
магнитного поля
2
0
2
H
H
в цикле перемагничивания определяется по
формуле
0
(
)
H
d
Hd
H
HdB
.
(18)
35
Работа
ï
dA
HdB
расходуется на изменение внутренней энергии
единицы объема ферромагнетика. Таким образом, энергия гистерезисных
потерь, расходуемая за один полный цикл перемагничивания какого-либо
образца, равна произведению объема образца
V
o
на площадь петли
гистерезиса в координатах (
В, Н
), т.е.
dB
H
V
W
0
.
(19)
Она переходит в тепловую энергию образца. При перемагничивании
ферромагнетик нагревается. Полностью размагнитить ферромагнетик
можно, перемагничивая его в переменном магнитном поле при плавном
уменьшении амплитуды напряженности поля от значения насыщения
Н
S
до нуля в течение ряда циклов.
Ферромагнетики находят широкое применение в технике. На их основе
разработаны магнитные материалы: магнитомягкие (высокие значения
магнитной
проницаемости),
магнитожесткие
(высокие
значения
коэрцитивной силы и магнитной энергии), материалы для магнитной
записи и др.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Схема установки показана на рис. 8. Она содержит следующие
элементы: цифровой генератор переменного напряжения; ФО
-
ферромагнитный
образец
(сердечник
трансформатора);
N
1
-
намагничивающая обмотка;
N
2
- измерительная обмотка;
R
и
и
С
и
- резистор
и конденсатор интегрирующей
RC
- цепочки;
R
- резистор для получения
напряжения
U
x
, электронный осциллограф. Частота генератора ступенчато
регулируется с помощью кнопок «ЧАСТОТА» - текущее значение частоты
генератора выводится на дисплей, амплитуда выходного напряжения
устанавливается
с
помощью
ручки
«АМПЛИТУДА»,
измеряется
цифровым вольтметром и выводится на LCD индикатор. Для калибровки
оси X осциллографа ось Y заземляется с помощью переключателя «DC ╩
AC» на панели осциллографа (он расположен справа от входа Y).
Установка снабжена микропроцессорной системой управления, измерения
и контроля необходимых параметров.
В соответствии с показанной на рис. 8 схемой на вход «
»
осциллографа подается напряжение
U
y
, пропорциональное магнитной
индукции
В
поля в исследуемом образце, на вход «Х» - напряжения
U
x
пропорциональное напряженности
Н
поля, намагничивающего образец
(внутренний генератор горизонтальной развертки луча осциллографа при
этом выключается, включается режим X-Y осциллографа). За один период
Т
изменения напряжений
U
x
и
U
у
, характеризующий полный цикл
перемагничивания образца, электронный луч на экране осциллографа